專利名稱：具有減少的電容耦合的汽車功率變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及汽車功率變換器，尤其涉及一種具有降低的電 容耦合的汽車功率變換器。
背景技術：
用在代用燃料車輛如混合燃料和燃料電池車輛中的電動機以及
其它元器件通常使用交流(AC)電源。不過，用在這些用途中的這些 電源如電池和燃料電池僅提供直流(DC)功率。因此，稱為功率變換 器(inverter)的器件用于將DC功率變換成AC功率。
現(xiàn)代汽車功率變換器通常使用功率模塊(或微電子模 (microelectronic die ))將DC功率變換成AC功率，這些功率才莫塊 包括集成電路，這些集成電路具有在這些集成電路上形成的多個半導 體器件(如晶體管和二極管)。由于大量電流的使用，這些功率模塊 產(chǎn)生大量的熱。為了確?？煽康男阅?，這些功率變換器還包括冷卻系 統(tǒng)以將熱傳遞離開這些功率才莫塊。
用在汽車變換器中的常規(guī)冷卻系統(tǒng)通常包括直接連接到變換器 底盤的金屬吸熱部件或冷凝板(即，帶有流過冷凝板的冷卻劑)。通 常將這些功率才莫塊安裝到各種襯底的堆上和/或一種基板上，這種基板 附連到這種吸熱部件。穿過這些襯底和/或這種基板將熱從這些功率才莫 塊導入這種吸熱部件，在這種吸熱部件中將熱從變換器除去。這種吸 熱部件還可用于冷卻這種變換器的底盤內(nèi)的其它電子元器件，如母 線、電感器和電容器。
在操作這些功率模塊時，在這些功率才莫塊與這種底盤直接出現(xiàn)電 容耦合，且在這種底盤中注入電磁干擾(EMI)電流，這種電磁干擾
可對變換器和電動機造成不利影響。因此，通常將"Y電容器"安裝
在至這種變換器的DC功率輸入端，以減少電容耦合和EMI電流的影 響，這樣就提高了制造成本。
因此，希望提供一種在底盤與這些功率模塊之間具有降低的電容 的變換器組件。
此外，從隨后結合附圖的詳細描述和所附的權利要求書以及前面 的技術領域和背景技術就會明白本發(fā)明的其它理想性能和特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種汽車功率變換器。這種汽車功率變換器包括底 盤、微電子才莫和絕緣區(qū)，這種微電子模耦合到這種底盤，這種底盤具 有在底盤上形成的多個功率電子開關，且這種絕緣區(qū)具有在底盤與微 電子才莫之間的至少lmm的厚度。
本發(fā)明還提供一種汽車驅(qū)動系統(tǒng)。這種汽車驅(qū)動系統(tǒng)包括直流 (DC)電源、耦合到該DC電源的電動機和功率變換器，這種功率變 換器耦合到該電動機和該DC電源，以從該DC電源接收DC功率并 向該電動機提供交流(AC)功率。這種功率變換器包括底盤、外殼、 微電子模、噴嘴和絕緣區(qū)，這種底盤包括導電材料，該外殼連接到該 底盤，這種外殼包括絕緣材料并形成一種腔室，這種微電子才莫在該腔 室內(nèi)連接到該外殼，這種微電子^莫具有集成電路，這種集成電路帶有 在這種集成電路上形成的至少一個晶體管，這種噴嘴在該腔室內(nèi)連接 到該外殼并指向該微電子模以將冷卻流體噴到該微電子模上，以在該 微電子^^的運行期間從該微電子才莫將熱量除去，該絕緣區(qū)在該底盤與 該微電子才莫之間。


下面將結合附圖對本發(fā)明進行描述，在這些圖中，類似的附圖標 記表示類似的要素，其中
圖1 是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示范性汽車的示意圖2是圖1中的汽車內(nèi)的變換器的示意圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖2中的變換器的截面?zhèn)纫晥D4是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圖2中的變換器的截面?zhèn)纫晥D；以及
圖5是根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例的圖2中的變4灸器的截面?zhèn)瘸疞圖。
具體實施例方式
下面的詳細描述從本質(zhì)上來講僅僅是示范性的，且并不旨在對本 發(fā)明或本發(fā)明的應用和用途進行限制。而且，并不旨在受到在前面的 技術領域、背景技術和發(fā)明內(nèi)容或下面的詳細描述中出現(xiàn)的任何明確 表達的或暗指的理論的約束。
下面的描述是指"連接"或"耦合"在一起的元件或特征。除非 另有明確說明，用在本發(fā)明中的"連接"是指一個元件/特征直接結合 到另一個元件/特征(或與另一個元件/特征直接連通)，且并不一定 是機械結合。與此類似，除非另有明確說明，"耦合"是指一個元件 /特征直接或間接結合到另 一個元件/特征(或直接或間接與另 一個元 件/特征直接連通)，且并不一定是機械結合。不過應理解，雖然可在 下面描述的一個實施例中可將兩個元件"連接"，但在替代實施例中， 可將類似的元件"耦合"，反之亦然。因此，雖然在本說明書中所示
出的示意圖元件的示例性布置， 一(旦另外的中間元件、器件、特;f正或部 件可出現(xiàn)在實際的實施例中。還應理解，圖l至圖5僅是圖示性的， 且并不按比例繪制。
圖1至圖5示出了一種功率變換器和一種包括這種功率變換器的
汽車驅(qū)動系統(tǒng)。這種功率變換器包括底盤、微電子才莫和絕緣區(qū)，這種 微電子模具有一種在這種微電子模上形成的集成電路，這種微電子模
耦合到該底盤，且這種絕緣區(qū)在該底盤與該微電子才莫之間以減少該底 盤與該微電子沖莫之間的電容。
這種功率變換器還可包括一種冷卻機構，這種冷卻機構允許將這 種變換器布置成使該底盤與該微電子才莫之間的電容減到最小。這種冷 卻機構可以不是一種直接電連接到該底盤的吸熱部件。該絕緣區(qū)可包 括一種氣隙和/或一種絕緣體。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種車輛(或汽車)10。 汽車10包括底盤12、車體14、四個車輪16和電控系統(tǒng)18。車體14 布置在底盤12上并基本上封閉汽車10的其它部件。車體14和底盤 12可共同形成一種框架。這些車輪16中的每一個在車體14的各角可 旋轉(zhuǎn)地耦合到底盤12。
汽車10可以是多種不同類型的汽車中的任何一種，如轎車、貨 車、卡車或運動型多用途車輛(SUV)，并且可以是兩輪驅(qū)動(2WD) (即后輪驅(qū)動或前輪驅(qū)動)、四輪驅(qū)動(4WD )或全輪驅(qū)動(AWD )。 車輛10還可結合多種不同類型的引擎中的任何一種或任何組合，這 些引擎如汽油或柴油內(nèi)燃機、"混合燃料車輛"(FFV )引擎(即使 用汽油和乙醇的混合物)、氣體化合物(如氫和/或天然氣)燃料引擎、 內(nèi)燃機/電動機混合引擎和電動機。
在示于圖1的示范性實施例中，汽車IO是一種混合車輛，并且 還包括致動器組件20、電池22、功率變換器組件(變換器)24和散 熱器26。致動器組件20包括內(nèi)燃機28和電動機/發(fā)電機(或馬達) 30。正如本領域中熟練的技術人員會理解的那樣，電動機30包括在 電動機中的傳動裝置，而且，雖然在圖中并未示出，但電動機30也 包括定子組件(包括導電線圏)、轉(zhuǎn)子組件(包括鐵磁芯)和冷卻流 體(即冷卻劑)。
仍參看圖1,在一個實施例中，將內(nèi)燃機28和電動機30結合， 以使內(nèi)燃機28和電動機30通過一個或多個驅(qū)動軸31均機械耦合到 這些車輪16中的至少一些。散熱器26在該框架的外部分連接到該框 旦散熱器26包括穿過散熱器26的多 個冷卻通道并耦合到引擎28和變換器24,這些冷卻通道含有冷卻流 體(即冷卻劑)，如水和/或乙二醇(即防凍液)。在所示出的實施例 中，變換器24接收冷卻劑并與電動機30共用冷卻劑，且散熱器26 也類似地通過泵32連接到變換器24和電動機30。
電控系統(tǒng)18可與致動器組件20、電池22和變換器24操作性地 連通。雖然并未詳細示出，但電控系統(tǒng)18也包括各種傳感器和汽車 控制才莫塊或電控單元(ECU)以及至少一個處理器和/或存儲器，汽車 控制模塊或電控單元如變換器控制模塊和車輛控制器，這種存儲器包 括儲存在存儲器上(或儲存在另一種計算機可讀介質(zhì)中)的執(zhí)行下面 所描述的程序和方法的指令。應理解，還可將這種變換器控制模塊結 合在功率變換器組件24中。
圖2和圖3更詳細地示出了根據(jù)一個實施例的變換器24。正如圖 2示意性地示出的那樣，變換器24包括耦合到電池22和電動機30的 三對串聯(lián)開關33。參看圖3,除了其它部件之外，變換器24還包括 外殼34、連接到外殼34和/或在外殼34內(nèi)的底盤36、才莫塊堆38和噴 霧器40。外殼34可用模制塑料制成并封閉形成模塊腔室42。底盤36 可用金屬制成，如鋁，而且，雖然并未示出，但底盤36可形成圍繞 變換器24的其它各種部件框架，這些元器件如電容器組件，這種電 容器組件包括一組或多組導電板，正如人們所普遍理解的那樣，這些 導電板相互隔開并繞成線圏，以形成一個或多個電容器。
模塊堆38連接到外殼34并包括一種直接或雙鍵合銅(DBC)襯 底44和電子元器件或微電子模46。 DBC襯底44包括一種陶資芯48 和在陶資芯48的相對側(cè)面(即上側(cè)面和下側(cè)面)上形成的兩個銅層 50。微電子模46包括一種半導體襯底(如硅襯底)，這種半導體襯 底帶有在這種半導體村底上形成的集成電路，這種集成電路包括示于 圖2中的這些開關33 (如功率電子開關)中的一個或多個，正如人們 所普遍理解的那樣，這些開關為單個半導體器件的形式，如絕緣柵雙
極型晶體管(IGBT )。用焊料51將微電子才莫46安裝到DBC襯底44 的陶瓷芯48上側(cè)面上的銅層50上。
在示于圖3的實施例中，以與底盤36隔開的關系將模塊堆38定 位，且在模塊堆38與底盤36之間形成一種具有厚度53的絕緣體(或 絕緣區(qū))52 。在一個實施例中，絕緣體52的厚度53至少為1毫米 (mm)，如介于lmm與125mm之間。^t塊堆38定位成使微電子才莫 46以距離54位于距底盤36的位置，該距離54大于絕緣體52的厚度 53 (如比厚度53大2至3mm)。絕緣體52可包括氣隙，該氣隙在底 盤36與DBC襯底44的陶f:芯48的下側(cè)面上的銅層50之間延伸。 因此，在示于圖3的實施例中，才莫塊堆38與底盤36絕緣。還應注意 到，示于圖3的實施例并不包括吸熱部件或冷凝板。特別地，變換器 24并不包括與底盤36和^f莫塊堆38互連的吸熱部件。
仍參看圖3，噴霧器40 (即冷卻機構)在模塊腔室42內(nèi)連接到 外殼34 (并與底盤36電絕緣)并位于才莫塊堆38上方，尤其是位于微 電子模46的上方。噴霧器40包括指向微電子模46的噴嘴56，而且， 雖然并未明確示出，但噴嘴56還通過示于圖1中的泵32與散熱器26
流體連通o
仍參看圖1，在運行期間，通過用內(nèi)燃才幾28和電動4幾30以交替
提供動力來運行車輛10。為了向電動機30提供功率，從電池22向變 換器組件24提供DC功率，在將功率發(fā)送到電動機30之前，變換器 組件24將DC功率變換成AC功率。正如本領域中熟練的技術人員將 會理解的那樣，DC功率向AC功率的變換基本上通過操作(即反復 地切換)示于圖2中的這些開關33 (即晶體管)來進行。
繼續(xù)參看圖3,由于運行變換器24，所以微電子才莫46內(nèi)的這些 半導體器件(即晶體管)產(chǎn)生熱量。在一個實施例中，沖莫46產(chǎn)生至 少10W/cn^的熱通量密度。為了從微電子模46將熱量除去，由泵32 (圖1)將散熱器26內(nèi)的流體循環(huán)至變換器24內(nèi)的噴霧器40。穿過
噴嘴56將流體噴射到微電子模46上。來自微電子模46的熱量在流 體離開微電子模46之前傳導至這種流體。然后，這種流體從模塊堆 38落下并由泵32收集并返回到散熱器26，以在散熱器26的冷卻通 道內(nèi)冷卻。
仍參看圖3，隨著微電子模46的運行，由于無直接連接和氣隙以 及在模塊堆38 (或微電子模46)與底盤36之間的距離相對較大，所 以就將微電子模46與底盤36之間的電容58減到最小。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的變換器24。與示于圖3 中的變換器24相類似，示于圖4中的變換器24包括外殼34、底盤 36、 ^t塊堆38和噴霧器40。不過，示于圖4中的變換器24還包括與 底盤36和模塊堆38互連的一種集液槽60 (即流體收集機構)。集液 槽60包括與示于圖1中的泵32流體連通的穿過集液槽60的管道。 集液槽60還包括開口 62，這些開口 62穿過集液槽60的上側(cè)面并鄰 近于該管道，集液槽60用一種絕緣材料制成，如才莫制塑料。
如圖所示，將才莫塊堆38安裝到集液槽60，并將噴霧器40連接到 才莫塊堆38上方的外殼34。同樣與示于圖3中的實施例類似，集液槽 60在才莫塊堆38與底盤36之間形成一種絕緣體(或絕緣區(qū))52。集液 槽60的厚度53可根據(jù)制成集液槽60的特定材料而變化。還應注意， 示于圖4的實施例并不包括吸熱部件，尤其是將才莫塊堆38與底盤36 互連的吸熱部件。
在運行期間，用類似于前面所描述的方式將來自散熱器26的流 體從噴霧器40噴射到微電子模46上，以將熱量從微電子模46除去。 在流體從模塊堆38落下之后，這種流體通過這些開口 62從沖莫塊腔室 42排出并進入集液槽60內(nèi)的管道中。然后，這種流體流過集液槽60 內(nèi)的這種管道并返回到散熱器26。
仍參看圖4，隨著《敞電子沖莫46的運行，由于在才莫塊堆38 (或微 電子模46)與底盤36之間沒有導電部件，如吸熱部件，所以就減少 了微電子才莫46與底盤36之間的電容58。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例的變換器24。與示于圖3 和圖4中的變換器24相類似，示于圖5中的變換器24包括外殼34、 底盤36和才莫塊堆38。不過，示于圖5中的變換器24還包括一種"浮 動，，吸熱部件70和基板72。浮動吸熱部件70連接到外殼34以與底 盤36隔開的關系將浮動吸熱部件70定位，且在浮動吸熱部件70與 底盤36之間形成絕緣體(或絕緣區(qū))52 。浮動吸熱部件70用導電 材料制成，如鋁，并包括與示于圖1中的泵32流體連通的穿過浮動 吸熱部件70的管道74。雖然在圖中并未詳細示出，但在一個實施例 中，基板72包括金屬板，這種金屬板帶有在金屬板的上表面上的一 種焊料層和在金屬板的下表面上的一種導熱脂層，這種焊料層將該金 屬板與模塊堆38互連，這種導熱脂層將該金屬板與浮動吸熱部件70 互連?？蓪⒏游鼰岵考?0定位成使微電子模46以距離76位于距 底盤36的位置，該距離76如至少100mm，如介于100mm與150mm 之間。絕緣體52可包括在底盤36與浮動吸熱部件70之間延伸的氣 隙。
在運行期間，由微電子模46所產(chǎn)生的熱量穿過DBC襯底44和 基斧反72傳導并進入浮動吸熱部件70。穿過浮動吸熱部件70中的管道 74循環(huán)來自散熱器26的流體，以吸收從微電子模46傳導的熱量。
仍參看圖5，隨著微電子模46的運行，由于無直接連接和氣隙以 及在模塊堆38 (或微電子模46)與底盤36之間的距離相對較大，所 以就減少了微電子才莫46與底盤36之間的電容58。
前面所描述的各種實施例的一個優(yōu)點在于，由于底盤與微電子模 之間的電容減小，所以就減小了這種才莫與底盤之間的電容耦合，而且 也減小了這種模的運行所引起的電磁干擾。這樣就提高了這種變換器 的性能。因此，就減少了必須將Y-電容器安裝在變換器24的輸入端 的可能性，從而降低了這種變換器的制造成本。
其它的實施例可結合單獨示于圖3、圖4和圖5中的特征。例如， 可將示于圖3和圖5中的氣隙與示于圖4中的集液槽60結合，以提
供一種帶有在底盤36與微電子模46之間的絕緣體(即集液槽60 )和 氣隙的變換器。這種功率變換器還可用在不同類型的汽車中或用在完 全不同的電系統(tǒng)中。
雖然已在前面的詳細描述中介紹了至少一個示范性實施例，但應 理解，可有各種變化形式。還應理解，該示范性實施例或這些示范性 實施例僅是示例，且并不旨在以任何方式對本發(fā)明的范圍、應用或構 造進行限制。相反，前面的詳細描述會為本領域中熟練的技術人員提 供實施該示范性實施例或這些示范性實施例的路線圖。應理解，在并 不背離在所附的權利要求書及其等同的法律文件中提出的本發(fā)明的 范圍的情況下，可對元件的功能和布置進行各種變化。
權利要求
1. 一種汽車功率變換器，包括底盤；微電子模，所述微電子模耦合到所述底盤，所述底盤具有在所述底盤上形成的多個功率電子開關；以及絕緣區(qū)，所述絕緣區(qū)具有在所述底盤與所述微電子模之間的至少1mm的厚度。
2. 如權利要求l所述的汽車功率變換器，其中所述微電子才莫產(chǎn) 生至少10W/cn^的熱通量密度，并且還包括冷卻機構，以從所述微電 子才莫除去熱，所述冷卻機構與所述底盤電絕緣。
3. 如權利要求2所述的汽車功率變換器，其中所述冷卻機構并 不包括直接連接到所述底盤的吸熱部件。
4. 如權利要求3所述的汽車功率變換器，其中所述絕緣區(qū)包括 氣隙和絕緣體中的至少之一。
5. 如權利要求4所述的汽車功率變換器，還包括連接到所述底盤 的外殼，所述外殼包括絕緣材料并形成腔室，所述^:電子才莫位于所述 腔室內(nèi)。
6. 如權利要求5所述的汽車功率變換器，其中所述冷卻機構包 括噴嘴，所述噴嘴連接到所述外殼以將冷卻流體引導至所述微電子才莫 上，以將至少部分熱量從所述微電子才莫除去。
7. 如權利要求6所述的汽車功率變換器，其中還包括流體收集 機構，所述流體收集機構連接到所述底盤，以收集所述冷卻流體并從 所述腔室除去所述冷卻流體。
8. 如權利要求7所述的汽車功率變換器，其中所述流體收集機 構包括絕緣材料。
9. 如權利要求8所述的汽車功率變換器，其中所述汽車功率變 換器不包括吸熱部件。
10. 如權利要求9所述的汽車功率變換器，其中所述底盤與所 述微電子才莫之間的距離為至少100mm。
11. 一種汽車功率變換器，包括 底盤，所述底盤包括導電材料；絕緣外殼，所述絕緣外殼連接到所述底盤并形成腔室；微電子模，所述微電子模在所述腔室內(nèi)連接到所述外殼，所述微 電子模具有在所述微電子模上形成的集成電路；噴嘴，所述噴嘴在所述腔室內(nèi)連接到所述外殼并指向所述微電子 模，以將冷卻流體噴射到所述微電子模上，以在所述微電子模的運行 期間將熱量從所述微電子才莫除去；以及絕緣區(qū)，所述絕緣區(qū)在所述底盤與所述微電子才莫之間。
12. 如權利要求11所述的汽車功率變換器，其中所述絕緣區(qū)包 括氣隙和絕緣體中的至少之一。
13. 如權利要求12所述的汽車功率變換器，其中所述絕緣區(qū)包 括氣隙和絕緣體。
14. 如權利要求13所述的汽車功率變換器，其中所述絕緣體包 括集液槽，所述集液槽連接到所述底盤，以收集所述冷卻流體并將所 述冷卻流體從所述腔室除去。
15. 如權利要求14所述的汽車功率變換器，其中所述汽車功率 變換器并不包括吸熱部件。
16. —種汽車驅(qū)動系統(tǒng)，包括 直流(DC)電源；電動機，所述電動機耦合到所述DC電源；以及 功率變換器，所述功率變換器耦合到所述電動機并耦合到所述 DC電源，以從所述DC電源接收DC功率并向所述電動機提供交流 (AC)功率，所述功率變換器包括底盤，所述底盤包括導電材料；外殼，所述外殼連接到所述底盤，所述外殼包括絕緣材料并形成腔室；微電子模，所述微電子模在所述腔室內(nèi)連接到所述外殼，所述微電子模具有集成電路，所述集成電路具有在所述集成電路上形成的至少一個晶體管；噴嘴，所述噴嘴在所述腔室內(nèi)連接到所述外殼并指向所述微電子模，以將冷卻流體噴射到所述微電子模上，以在所述微電子模的運行期間將熱量從所述微電子模除去；以及絕緣區(qū)，所述絕緣區(qū)在所述底盤與所述微電子沖莫之間。
17. 如權利要求16所述的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，還包括散熱器，所迷散熱器耦合到所述變換器以儲存所述冷卻流體。
18. 如權利要求17所述的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，其中所述絕緣區(qū)包括氣隙，且所述微電子模與所述底盤電絕緣。
19. 如權利要求18所述的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，還包括集液槽，所述集 液槽連接到所述底盤，以收集所述冷卻流體并將所述冷卻流體從所述 腔室除去，所述集液槽具有穿過所述集液槽的管道，所述管道與所述散熱器流體連通。
20. 如權利要求19所述的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，其中所述功率變換器 不包括吸熱部件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種汽車功率變換器。這種功率變換器包括底盤、微電子模和絕緣區(qū)，這種微電子模耦合到該底盤并具有在微電子模上形成的一種集成電路，該絕緣區(qū)在該底盤與微電子模之間。
文檔編號B60R16/02GK101388386SQ20081012938
公開日2009年3月18日 申請日期2008年6月25日 優(yōu)先權日2007年6月28日
發(fā)明者D·F·奈爾遜, G·S·史密斯, G·約翰, T·G·沃德, T·戈帕拉拉斯納姆 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司